Science Advances | 种康院士团队发现水稻驯化选择的寒害修复密码子优异模块

责编 | 王一

近年来，全球气候变化引起的气温异常频发，对农作物的生产造成系统性的重大威胁，因此农作物品种须具有耐受极端温度的优异性状，以确保粮食稳产。水稻是喜高温作物，而低温则是水稻生产过程中经常遇到的不利环境因素，耐寒品种培育迫在眉睫。分子设计品种培育是作物育种的理想策略和发展方向，耐寒分子设计育种则依赖于细胞寒害“感知与防御信号网络”和“修复系统”分子遗传机制。科学家在水稻寒害“感知与防御信号网络”已经揭示了一系列元件及其网络。中国科学院植物研究所种康实验室前期发现包括感受器与钙信号、激酶、叶绿体维生素E-K1代谢途径、转录因子和海藻糖代谢等感知与防御信号转导网络 （Cell, 2015; Developmental Cell, 2017; Journal of Integrative Plant Biology, 2018; 2019; Cell Reports, 2021; The EMBO Journal, 2022） 等等，这个防御系统支撑水稻植株的低温耐受性。从进化角度来看，一旦防御系统出现漏洞，基因组受到损伤，必然启动最后一道防线启动，即DNA损伤的修复系统。然而，从驯化的角度来讲，寒害引起的DNA修复系统是什么？以及如何建立的？至今尚知之甚少。

近日，中国科学院植物研究所种康院士团队及其合作者在Science Advances发表了题为Natural variation of codon repeats in COLD11 endows rice with chilling resilience的研究论文。该研究克隆了耐寒性主效基因COLD11，揭示了该基因GCG密码子重复在寒害DNA损伤修复中的分子机制。

研究者基于基因组数据空间降维理念，通过数学算法将多维尺度的基因组数据合并到一个维度中进行全基因组关联分析 (GWAS) ，作者将其命名为数据整合GWAS （DM-GWAS） 。在水稻自然群体中鉴定到了一系列耐寒性QTL遗传位点。其中位于第11号染色体的遗传位点qCTS11-1对耐寒性的贡献极显著。通过图位克隆的策略获得了其中的耐寒性主效基因COLD11, 该基因突变会引起耐寒性的显著降低。COLD11基因编码区在低温耐受型的粳稻和敏感型的籼稻之间存在基因密码子GCG重复数差异，重复数与耐寒性具有正相关性。该基因编码蛋白具有DNA损伤修复生化活性，编码区的GCG重复数与DNA修复生化活性成正比。进化分析显示该基因组差异受到强的驯化选择。这是首次报道驯化选择的寒害DNA修复优异等位模块新机制，是寒害防御网络之外的确保细胞耐受的基因组DNA修复新途径 （图1） 。COLD11优异等位基因机制可能是细胞在低温胁迫下生存的最后一道防线。这种优异等位基因分子模块具有重要的应用潜力。

综上，该研究通过基因组数据数学降维与整合的DM-GWAS策略，筛选鉴定到一系列耐寒性QTL遗传位点，并通过图位克隆方法得到了其耐寒性主效基因COLD11，发现人工选择获得的优异等位基因模块，揭示了该基因GCG密码子重复在寒害DNA损伤修复中的分子机制，为分子设计育种中对关键位点进行精细调控从而有效提高水稻耐寒性开辟了新的途径。

图1. 驯化选择的COLD11模块修复寒害DNA双链断裂模式图。驯化选择寒害耐受QTL主效基因COLD11，在第一外显子中密码子GCG密码子编码丙氨酸（Alanine, A），基因组进化分析表明GCG重复数受到了强烈的驯化选择。该驯化模块在低温胁迫诱导DNA双链断裂（DSBs）时能够迅速响应：籼稻类型种质（图上侧），当低温胁迫产生DSBs时，丙氨酸重复少的COLD11对DSBs的修复能力较弱，导致DSBs不能被及时修复，进而导致细胞死亡而表现为水稻耐寒性减弱；粳稻类型种质（图下侧），具有丙氨酸重复较多的COLD11对DSBs的修复能力较强，使DSBs能够被及时修复，进而保障了细胞正常存活而增强了水稻耐寒性。

该研究成果由中国科学院植物研究所种康院士研究组与中国科学院数学与系统科学研究院李启寨研究员及中国科学院遗传与发育生物学研究所程祝宽研究员、中国科学院植物研究所葛颂研究员研究团队共同合作完成。该工作得到了中科院战略性先导科技专项和NSFC基础科学中心项目的资助。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq5506